專利名稱：沙地疏林草地生態(tài)系統(tǒng)水分環(huán)境變化的模擬方法及設(shè)施的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生態(tài)系統(tǒng)主要生態(tài)過程與其主要限制因子變化的關(guān)系的研 究方法及模擬設(shè)施，具體地說是一種沙地疏林草地生態(tài)系統(tǒng)水分環(huán)境變化 的模擬方法及設(shè)施。
背景技術(shù)：
近年來全球變化已經(jīng)引起各界學者的廣泛重視，水分環(huán)境作為全球變化 的主要組成部分，是沙地疏林草地生態(tài)系統(tǒng)過程最重要的限制因子，因此沙 地疏林草地生態(tài)系統(tǒng)對全球變化引起的水熱耦合格局變化具有最靈敏的響 應(yīng)，所以通過模擬沙地水分環(huán)境的變化，研究沙地疏林草地的凈初級生產(chǎn)力、
土壤C02通量、植被及物種組成變化，以及土壤養(yǎng)分循環(huán)過程等主要生態(tài)過 程的響應(yīng)，能為預(yù)測沙地疏林草地生態(tài)系統(tǒng)變化趨勢提供科學參考，進一步 為在全球變化背景下沙地疏林草地生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)營管理提出合理的應(yīng)對策 略，對實現(xiàn)沙地疏林草地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
目前水分環(huán)境變化的模擬方法主要有盆栽模擬和水泥池模擬。盆栽模 擬水分環(huán)境的變化適用于研究不同物種在不同水分環(huán)境下的生理與形態(tài)變 化，該法操作簡單，費用低廉，在對比研究時又具有一定的準確性，因此 應(yīng)用十分廣泛，但盆栽的盆子容量有限，因此不能重現(xiàn)被研究物種的原始 狀態(tài)，所以只能用于幼苗或者小體積物種的比較研究。水泥池模擬方法與 盆栽模擬法相比增大了研究面積，目前有的水泥池尺寸達到了 1.5mx2m, 但依然跟野外原位生態(tài)系統(tǒng)有很大差別，不能代表原生的沙地疏林草地生 態(tài)系統(tǒng)的水分變化特征。而且盆栽和水泥池模擬水分環(huán)境變化的研究多是 釆用地下水作為水源，地下水的養(yǎng)分及礦質(zhì)含量等水質(zhì)特征與天然降水是 有差異的，這也導致這些方法的水分環(huán)境變化模擬不能真正代表天然降水 特征。目前有研究者用小面積遮雨棚在野外對草地生態(tài)系統(tǒng)進行過干旱化 模擬的研究，也出現(xiàn)過人工澆水或用小型模擬降雨裝置在野外進行的濕潤 化模擬試驗，但這些模擬水分變化的研究都是單向的，而生態(tài)系統(tǒng)水分環(huán) 境的變化恰恰包括干旱化與濕潤化兩個方面，因此國內(nèi)外對生態(tài)系統(tǒng)水分 環(huán)境的變化模擬方法都是不完善的。目前尚未發(fā)現(xiàn)能將模擬干旱化與濕潤 化在野外原位樣地進行有機結(jié)合的方法的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種接近天然狀態(tài)的，能代表天然沙地疏林草地 生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)特征的，適用于野外原位模擬的沙地疏林草地生態(tài)系統(tǒng)水分 環(huán)境變化的模擬方法及設(shè)施。本發(fā)明技術(shù)方案如下沙地疏林草地生態(tài)系統(tǒng)水分環(huán)境變化的模擬方法以野外自然環(huán)境原位樣地為研究對象，在天然降雨過程中，釆用屏蔽模擬干旱化樣地的自然降雨進行干單化模擬，同時收集被屏蔽的天然降雨 加以蓄積，將蓄積的天然降雨作為模擬濕潤化樣地的水源，在濕潤化樣地 模擬天然降雨過程進行濕潤化模擬，使干旱化與濕潤化的模擬過程有機地 結(jié)合在一起，從而達到模擬沙地疏林草地生態(tài)系統(tǒng)干單化與濕潤化兩種水分環(huán)境變化的目的；
另外，對模擬干旱化樣地及模擬濕潤化樣地可進行土壤水分防側(cè)滲處理；模擬天然降雨時雨強的控制通過選擇水泵的規(guī)格進行。
沙地疏林草地生態(tài)系統(tǒng)水分環(huán)境變化的模擬設(shè)施包括干旱化模擬裝置 和濕潤化模擬裝置，干旱化模擬裝置通過蓄水裝置與濕潤化模擬裝置相連， 其中所述干旱化模擬裝置由遮雨裝置、導水裝置、蓄水裝置和防側(cè)滲裝 置組成，遮雨裝置與導水裝置管路相連，導水裝置輸出至蓄水裝置；防側(cè) 滲裝置位于遮雨裝置下部內(nèi)側(cè)安裝；所述濕潤化模擬裝置由供水裝置、輸 水裝置、降雨發(fā)生裝置、降雨量監(jiān)測裝置和防側(cè)滲裝置組成，其供水裝置 輸入接收蓄水裝置水源，輸出端經(jīng)輸水裝置和降雨量監(jiān)測裝置至降雨發(fā)生 裝置，防側(cè)滲裝置位于降雨發(fā)生裝置下部內(nèi)側(cè)安裝。
所述干旱化模擬裝置包括遮雨裝置、導水裝置、蓄水裝置和防側(cè)滲裝置, 所述遮雨裝置為由具有弧狀頂部的第一支架支撐遮雨棚結(jié)構(gòu)，安裝在研究樣 地四周；所述導水裝置由橫截面上開口結(jié)構(gòu)的導水主管和導水支管構(gòu)成，導 水主管平行安放在遮雨棚上，導水支管一端分別與導水主管相連，另一端連 接蓄水裝置；所述蓄水裝置上端開口與導水支管相連，下端開口與濕潤化模 擬裝置中的供水裝置相連；所述防側(cè)滲裝置為防滲屏障結(jié)構(gòu)，圍繞研究樣地 四周垂直設(shè)置于地下；防側(cè)滲裝置位于遮雨裝置中第一支架下部內(nèi)側(cè)安裝。
所述濕潤化模擬裝置包括供水裝置、輸水裝置、降雨發(fā)生裝置、降雨量 監(jiān)測裝置和防側(cè)滲裝置，其中所述供水裝置包括濾網(wǎng)、逆止閥和水泵；濾網(wǎng) 安放在作為水源的蓄水裝置與水泵的管路接口處，逆止閥安裝濾網(wǎng)的靠近水 泵的一側(cè)，水泵輸出端與輸水裝置中輸水干管相連，水泵作為模擬降雨的動 力裝置，可以通過選擇水泵的規(guī)格控制模擬降雨的雨強；輸水裝置包括輸水 干管、輸水主管和一組輸水支管；所述輸水干管一端與水泵相連，另一端與 輸水主管相連，輸水主管的另一端封閉，安放在降雨發(fā)生裝置的第二支架上, 位于研究樣地一側(cè)懸空放置， 一組一端封閉的輸水支管的一端與輸水主管相 連，輸水支管間水平等距設(shè)置，另一端安裝在第二支架上，縱向均勻的平行 于研究樣地地面；降雨發(fā)生裝置包括第二支架和一組噴頭，第二支架為平頂 結(jié)構(gòu)，安裝在研究樣地四周， 一組噴頭等距的安裝在每根輸水支管上；降雨 量監(jiān)測裝置釆用流量計，安放在輸水干管與輸水主管的接口處；防側(cè)滲裝置 位于降雨發(fā)生裝置中第二支架下部內(nèi)側(cè)安裝。
輸水支管的間隔距離小于噴頭噴灑半徑，以便消除噴灑盲區(qū)；所述遮雨棚采用透光性好的聚乙烯材料；所述防側(cè)滲裝置釆用不透水材料。
本發(fā)明工作原理干旱化模擬裝置中遮雨裝置在發(fā)生天然降雨時屏蔽 天然降雨，達到模擬干旱化的目的，導水裝置將遮雨裝置屏蔽的天然降雨 導入蓄水裝置中，濕潤化模擬裝置中的供水裝置從濕潤化模擬裝置中的蓄 水裝置中抽取蓄積的天然降水作為濕潤化模擬的水源，供水裝置將水由輸 水裝置經(jīng)過降雨量監(jiān)測裝置進入降雨發(fā)生裝置，在沙地疏林草地上形成模 擬降雨，達到模擬濕潤化的目的，干旱化模擬裝置和濕潤化模擬裝置中的 防側(cè)滲裝置都圍繞沙地疏林草地一周垂直埋入地下一定深度，以防止土壤 水分的橫向傳輸。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點
1) 干旱化模擬和濕潤化模擬樣地面積均能達到8mx8m以上，可以代 表天然沙地疏林草地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)特征；
2) 濕潤化模擬時釆用干旱化模擬樣地收集的天然降雨作為模擬降雨的 水源，消除了地下水作為水源與天然降雨的水質(zhì)差異，使模擬降雨能代表 天然降雨過程；
3) 將濕潤化模擬與干旱化模擬有機的結(jié)合了起來，完全的模擬了沙地 疏林草地生態(tài)系統(tǒng)的水分環(huán)境變化(包括干旱化及濕潤化)；
4) 濕潤化模擬時可以通過選擇水泵的規(guī)格控制模擬降雨的雨強，而流 量計則能精確測定模擬降雨區(qū)域的水量，從而方便地做到模擬降雨時對雨 強和降雨量的控制。
5) 本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，成本低，且安裝、使用方便。


圖1為沙地疏林草地生態(tài)系統(tǒng)水分環(huán)境變化的模擬設(shè)施的整體結(jié)構(gòu)示 意圖。
具體實施例方式
以下參照附圖對本沙地疏林草地生態(tài)系統(tǒng)水分環(huán)境變化的模擬方法及 設(shè)施作詳細說明
沙地疏林草地生態(tài)系統(tǒng)水分環(huán)境變化的模擬方法以野外自然環(huán)境原 位樣地為研究對象，在天然降雨過程中，釆用屏蔽模擬干旱化樣地的自然 降雨進行干旱化模擬，同時收集被屏蔽的天然降雨加以蓄積，將蓄積的天 然降雨作為模擬濕潤化樣地的水源，在濕潤化樣地模擬天然降雨過程進行 濕潤化模擬，使干旱化與濕潤化的模擬過程有機地結(jié)合在一起；對模擬干 旱化樣地及模擬濕潤化樣地可進行土壤水份防側(cè)滲處理；模擬天然降雨時 雨強的控制可通過選擇水泵的規(guī)格進行。
如圖i所示，本發(fā)明沙地疏林草地生態(tài)系統(tǒng)水分環(huán)境變化的模擬設(shè)施包 括干單化模擬裝置與濕潤化模擬裝置，干旱化模擬裝置通過蓄水裝置與濕潤 化模擬裝置相連；其中所述干旱化模擬裝置由遮雨裝置、導水裝置、蓄水裝 置和防側(cè)滲裝置組成，遮雨裝置與導水裝置管路相連，導水裝置輸出至蓄水裝置；防側(cè)滲裝置位于遮雨裝置下部內(nèi)側(cè)安裝;所述濕潤化模擬裝置由供水 裝置、輸水裝置、降雨發(fā)生裝置、降雨量監(jiān)測裝置和防側(cè)滲裝置組成，其供 水裝置輸入接收蓄水裝置水源，輸出端接經(jīng)輸水裝置和降雨量監(jiān)測裝置至降 雨發(fā)生裝置，防側(cè)滲裝置位于降雨發(fā)生裝置下部內(nèi)側(cè)安裝。具體為
干單化模擬裝置包括遮雨裝置、導水裝置、蓄水裝置和防側(cè)滲裝置，其 中遮雨裝置在發(fā)生天然降雨時屏蔽天然降雨，達到模擬干旱化的目的，包括 第一支架1和遮雨棚2;為由具有弧狀頂部的第一支架1支撐遮雨棚2結(jié)構(gòu)， 安裝在研究樣地四周，第一支架1一般采用鋼管搭建，規(guī)格根據(jù)樣地面積及 樣地中樹木高度確定；遮雨棚2安放在第一支架i上方以屏蔽天然降雨達到 模擬干單化的目的， 一般釆用透光性好的聚乙烯材料；所述導水裝置由兩根 橫截面上開口結(jié)構(gòu)的導水主管3和兩根導水支管4構(gòu)成，導水主管3平行安 放在遮雨棚2兩側(cè)，用于收集遮雨棚2屏蔽的天然降雨，兩根導水支管4一 端分別與兩根導水主管3相連，另一端都連入蓄水裝置5中，將干單化模擬 過程中屏蔽的天然降雨導入蓄水裝置5保存；所述蓄水裝置5釆用蓄水罐， 安放于濕潤化模擬樣地附近，上端開口與導水支管4相連，用于蓄積屏蔽的 天然降雨，下端開口與濕潤化模擬裝置中的供水裝置相連，作為濕潤化模擬 的水源，蓄水裝置5的規(guī)格根據(jù)研究樣地面積及研究區(qū)年降雨量確定；所述 防側(cè)滲裝置6為防滲屏障結(jié)構(gòu)，位于遮雨裝置中第一支架l下部內(nèi)側(cè)安裝， 圍繞研究樣地四周垂直埋入地下一定深度，用于防止土壤水的橫向傳輸，一 般釆用油氈布或聚乙烯塑料布等不透水材料。
濕潤化模擬裝置包括供水裝置、輸水裝置、降雨發(fā)生裝置、降雨量監(jiān)測 裝置和防側(cè)滲裝置，其中所述供水裝置包括濾網(wǎng)7、逆止閥8和水泵9;濾 網(wǎng)7安放在作為水源的蓄水裝置5與水泵9的管路接口處，起防止異物堵塞 輸水管道的噴頭的作用，逆止閥8安裝濾網(wǎng)7的靠近水泵9的一側(cè)，用于防 止水流倒流，水泵9放置在蓄水裝置5旁邊，輸出端與輸水裝置中輸水干管 IO相連，水泵9作為模擬降雨的動力裝置，可以通過選擇水泵的規(guī)格控制模 擬降雨的雨強；輸水裝置包括輸水干管10、輸水主管11和輸水支管12;所 述輸水干管10—端與水泵9相連，另一端與輸水主管ll相連，輸水主管11 的另一端封閉，安放在降雨發(fā)生裝置的第二支架13上，位于研究樣地一側(cè) 懸空放置， 一組一端封閉的輸水支管12的一端與輸水主管ll相連，輸水支 管12間水平等距設(shè)置，另一端安裝在第二支架13上，縱向均勻的平行于研 究樣地地面；降雨發(fā)生裝置包括第二支架13和噴頭14,用以形成降雨區(qū)域； 第二支架13為平頂結(jié)構(gòu)，安裝在研究樣地四周，起支撐輸水裝置中輸水主 管ll和輸水支管12的作用， 一般釆用鋼管搭建，規(guī)格根據(jù)樣地面積及樣地 中樹木高度確定， 一組噴頭14等距的安裝在每根輸水支管12上，在研究樣 地上空形成均勻分布，用于形成模擬降雨；降雨量監(jiān)測裝置15采用流量計, 安放在輸水干管10與輸水主管11的接口處，由于輸水主管11緊鄰由降雨 發(fā)生裝置形成的降雨區(qū)域一側(cè)安放，所以該流量計能精確測定進入降雨區(qū)域的水量；所述防側(cè)滲裝置6為防滲屏障結(jié)構(gòu)，位于降雨發(fā)生裝置中第二支架 13下部內(nèi)側(cè)安裝，圍繞研究樣地四周垂直埋入地下一定深度，用于防止土壤 水的橫向傳輸， 一般釆用油氈布或聚乙烯塑料布等不透水材料。
本發(fā)明運行過程是自然降雨時，安放在第一支架1上的遮雨棚2屏 蔽天然降雨，在該研究樣地達到千旱化模擬的效果，導水主管3收集遮雨 棚2屏蔽的天然降雨，通過導水支管4將其保存于蓄水裝置5中。自然降 雨一段停止時間后，在另一塊研究樣地進行濕潤化模擬蓄水裝置5中保 存的自然降雨由水泵9抽取加壓后經(jīng)過濾網(wǎng)7和逆止閥8進入輸水干管10, 再經(jīng)由流量計15后流入輸水主管11，輸水主管ll一端封閉，中間每間隔 一段距離連接一根輸水支管12，每根輸水支管12都是一端封閉，中間每間 隔一段距離連接一個噴頭14，加壓后的水流由輸水主管11流出后分流至各 個輸水支管12，然后經(jīng)由在研究樣地上空均勻分布的噴頭14均句噴灑在研 究樣地內(nèi)達到濕潤化模擬的效果。最終在兩塊研究樣地達到了模擬沙地疏 林草地生態(tài)系統(tǒng)水分環(huán)境(干旱化及濕潤化)變化的目的。
本模擬方法與措施實施例在兩塊8mx8m的沙地疏林草地樣地中模擬 降雨水分環(huán)境的變化，2個鋼質(zhì)支架(第一、二支架)的規(guī)格都是8mx8mx2m, 蓄水罐直徑為4m,高度為2m,千旱化模擬樣地在5-7月份進行天然降雨的 屏蔽，根據(jù)研究區(qū)氣象站的降雨資料，該時段內(nèi)屏蔽降雨量共計 170.433mm,達到了模擬干旱化的效果；濕潤化模擬樣地選用的噴頭噴灑半 徑為1.5m，因此設(shè)置輸水支管12的間隔距離為lm，以便消除噴灑盲區(qū)， 每根輸水支管12上連接7個噴頭14，降雨區(qū)域內(nèi)一共有49個噴頭作業(yè)， 一次模擬降雨前流量計讀數(shù)5.94265m3，降雨后流量計讀數(shù)12.88113m3, 共降雨6.93848m3,根據(jù)降雨面積換算成該次模擬的降雨量為10.8414mm, 可以代表該研究區(qū)的 一次典型自然降雨。
權(quán)利要求
1.一種沙地疏林草地生態(tài)系統(tǒng)水分環(huán)境變化的模擬方法，其特征在于以野外自然環(huán)境原位樣地為研究對象，在天然降雨過程中，采用屏蔽模擬干旱化樣地的自然降雨進行干旱化模擬，同時收集被屏蔽的天然降雨加以蓄積，將蓄積的天然降雨作為模擬濕潤化樣地的水源，在濕潤化樣地模擬天然降雨過程進行濕潤化模擬，使干旱化與濕潤化的模擬過程有機地結(jié)合在一起。
2. 按照權(quán)利要求l所述模擬方法，其特征在于對模擬干旱化樣地及 模擬濕潤化樣地需進行土壤水分防側(cè)滲處理。
3. 按照權(quán)利要求l所述模擬方法，其特征在于模擬天然降雨時雨強 的控制通過選擇水泵的規(guī)格進行。
4. 一種沙地疏林草地生態(tài)系統(tǒng)水分環(huán)境變化的模擬設(shè)施，其特征在于 由干旱化模擬裝置和濕潤化模擬裝置組成，干旱化模擬裝置通過蓄水裝置與濕潤化模擬裝置相連；其中所述干旱化模擬裝置由遮雨裝置、導水裝置、 蓄水裝置和防側(cè)滲裝置組成，遮雨裝置與導水裝置管路相連，導水裝置輸 出至蓄水裝置；防側(cè)滲裝置位于遮雨裝置下部內(nèi)側(cè)安裝；所述濕潤化模擬 裝置由供水裝置、輸水裝置、降雨發(fā)生裝置、降雨量監(jiān)測裝置和防側(cè)滲裝 置組成，其供水裝置輸入接收蓄水裝置水源，輸出端接經(jīng)輸水裝置和降雨 量監(jiān)測裝置至降雨發(fā)生裝置，防側(cè)滲裝置位于降雨發(fā)生裝置下部內(nèi)側(cè)安裝。
5. 按照權(quán)利要求4所述模擬設(shè)施，其特征在于所述干旱化模擬裝置 由遮雨裝置、導水裝置、蓄水裝置和防側(cè)滲裝置組成，其遮雨裝置為由具 有弧狀頂部的第一支架(1)支撐遮雨棚(2)的結(jié)構(gòu)；所述導水裝置為橫 截面上開口結(jié)構(gòu)的導水主管(3)和導水支管(4)構(gòu)成，導水主管(3)平 行安放在遮雨棚(2 )上，導水支管(4 )連接導水主管(3 )與蓄水裝置(5 ); 所述蓄水裝置(5)上端開口與導水支管(4)相連，下端開口與濕潤化模 擬裝置中的供水裝置相連；防側(cè)滲裝置位于遮雨裝置中第一支架(1)下部 內(nèi)側(cè)安裝。
6. 按照權(quán)利要求4所述模擬設(shè)施，其特征在于所述濕潤化模擬裝置 由供水裝置、輸水裝置、降雨發(fā)生裝置、降雨量監(jiān)測裝置和防側(cè)滲裝置組 成，其中所述供水裝置由濾網(wǎng)(7)、逆止閥(8)和水泵(9)組成，濾網(wǎng)(7)、逆止閥(8)依次安放在蓄水裝置(5)與水泵(9)的管路接口處， 水泵(9)輸出端與輸水裝置相連；輸水裝置由輸水干管(10)、輸水主管(11)和一組輸水支管(12)組成；所述輸水干管(10) —端與水泵(9) 相連，另一端與輸水主管(ll)相連，輸水主管(11)的另一端封閉，安 放在降雨發(fā)生裝置的第二支架(13)上， 一組一端封閉的輸水支管(12) 的一端與輸水主管(11)相連，另一端安裝在第二支架(13)上；降雨發(fā)生裝置包括第二支架(13)和一組噴頭(14)，第二支架(13)為平頂結(jié)構(gòu)，安裝在研究樣地四周， 一組噴頭(14)安裝在每根輸水支管(12)上；降 雨量監(jiān)測裝置(15)安放在輸水干管(10)與輸水主管(11)的接口處； 防側(cè)滲裝置位于降雨發(fā)生裝置中第二支架(13)下部內(nèi)側(cè)安裝。
7. 按照權(quán)利要求5所述模擬設(shè)施，其特征在于所述遮雨棚(2)釆 用透光性好的聚乙烯材料。
8. 按照權(quán)利要求6所述模擬設(shè)施，其特征在于所述輸水支管(12) 間水平等距設(shè)置，縱向均勻的平行于研究樣地地面。
9. 按照權(quán)利要求6所述模擬設(shè)施，其特征在于所述一組噴頭(14) 等距的安裝在每根輸水支管(12)上。
10. 按照權(quán)利要求6所述模擬設(shè)施，其特征在于所述輸水支管(12) 的間隔距離小于噴頭(14)噴灑半徑。
11. 按照權(quán)利要求6所述模擬設(shè)施，其特征在于所述降雨量監(jiān)測裝 置(15)釆用流量計。
12. 按照權(quán)利要求5或6所述模擬設(shè)施，其特征在于所述防側(cè)滲裝 置(6)釆用不透水材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及生態(tài)系統(tǒng)主要生態(tài)過程與其主要限制因子變化的關(guān)系的研究方法及設(shè)施，具體地說是一種沙地疏林草地生態(tài)系統(tǒng)水分環(huán)境變化的模擬方法及設(shè)施。以野外自然環(huán)境原位樣地為研究對象，在天然降雨過程中，采用屏蔽模擬干旱化樣地的自然降雨進行干旱化模擬，同時收集被屏蔽的天然降雨加以蓄積，將蓄積的天然降雨作為模擬濕潤化樣地的水源，在濕潤化樣地模擬天然降雨過程進行濕潤化模擬，使干旱化與濕潤化的模擬過程有機地結(jié)合在一起。本發(fā)明具有接近天然狀態(tài)、能代表天然沙地疏林草地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)特征、適用于野外原位模擬的特點。
文檔編號A01G9/00GK101300942SQ200710011229
公開日2008年11月12日 申請日期2007年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月9日
發(fā)明者于占源, 李法云, 胡亞林, 范志平, 鄧東周 申請人:中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所